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Fisiologia – Neuroni e Sinapsi Appunti scolastici Premium

Appunti di Fisiologia Neuroni e Sinapsi. Nello specifico gli argomenti trattati sono i seguenti: La comparsa del neurone nell'evoluzione, Il neurone e la circolazione del sangue, Le cellule gliali, Il neurone come unità funzionale del sistema nervoso, ecc.

Esame di Fisiologia docente Prof. L. Manasseri

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IL NEURONE può ramificare anche notevolmente per raggiungere

5. La circolazione del liquido viene favorita dalle pul- un alto numero di cellule bersaglio alle quali conduce

sazioni delle arterie e dal gradiente di pressione

che si stabilisce fra la zona di secrezione e quella di l'informazione. La fine struttura del neurone rivela le

caratteristiche di una cellula secretrice dotata di un

drenaggio. Il liquido viene prodotto in quantità di grande nucleo, di un reticolo endoplasmatico liscio e

circa 500 mi al giorno. Il volume del liquido nel cra- rugoso. Inoltre, sia nel soma sia nei prolungamenti vi

nio è di 140 mi dei quali 115 mi si trovano nello sono abbondanti microtubuli del diametro di 24 nm

spazio subaracnoideo, mentre 75 mi si trovano in-

torno al midollo spinale. Pertanto il liquido si rin- che servono al trasporto di macromolecole dal soma

verso la periferia e viceversa.

nova 2-3 volte al giorno.

Gli scambi che avvengono tra il sangue dei plessi LE CELLULE GLIALI

coroidei ed il liquido cerebrospinale (barriera emato-

liquorale) sono di fondamentale importanza per man- Nel sistema nervoso centrale vi sono tre tipi di cel-

tenere un'appropriata composizione di questo liquido lule gliali: cellule di microglia, astrociti e oligoden-

e pertanto anche del liquido extracellulare. Infatti, le drociti (Fig. 3). Le cellule di microglia sono di origine

cellule epiteliali a contatto con i vasi dei plessi coroidei connettivale e non fanno parte della neuroglia. Si

possiedono dei meccanismi di trasporto attivo che im- tratta di cellule molto piccole presenti in scarso nu-

mettono e rimuovono dal liquido cerebrospinale di- mero nel tessuto nervoso normale, le quali aumenta-

versi tipi di sostanze. In questo modo i liquidi a con- no in modo notevole dove vi sono lesioni, emorragie,

tatto del cervello mantengono una composizione co- tumori o qualunque altro processo che porti a lesione

stante ed adeguata a far funzionare le cellule nervo- delle cellule nervose. Esse inglobano rapidamente i

se in maniera ottimale. frammenti neuronali, digerendoli in loco, oppure tra-

sportandoli nei vasi sanguigni.

Gli astrociti hanno un corpo cellulare piccolo con

IL NEURONE COME UNITÀ FUNZIONALE numerosi e sottili prolungamenti i quali terminano sui

DEL SISTEMA NERVOSO vasi sanguigni oppure prendono stretti rapporti con le

cellule nervose (Fig. 1). Essi svolgono numerose fun-

II neurone è l'elemento chiave per trasmettere in- zioni. Oltre a costituire un supporto per l'architettura

formazioni a distanza e per questo è dotato di una net- cerebrale, essi formano una palizzata che separa il

ta asimmetria nelle sue caratteristiche tridimensionali neurone dalla circolazione e collaborano alla forma-

con lo sviluppo di prolungamenti, uno dei quali, l'asso-

ne, può raggiungere una lunghezza fino a 100.000 vol- zione della barriera ematoencefalica. Inoltre, quando

la concentrazione extracellulare di potassio aumenta

te il diametro del corpo cellulare. Nonostante l'enor- in seguito ad elevata attività dei neuroni, gli astrociti

me variabilità delle varie cellule nervose (Fig. 2), la loro

struttura di base è costituita da un corpo cellulare o so- captano l'eccesso di potassio per via della loro eleva-

ma, da un prolungamento di lunghezza molto variabi- ta permeabilità verso questi ioni. Un'altra funzione di

queste cellule è quella di regolare la trasmissione si-

le, l'assone, e da altri prolungamenti, i dendriti. Il cor- naptica interferendo con i neurotrasmettitori (Fig. 38).

po cellulare rappresenta il centro trofico della cellula. I Infine, in seguito a danni del tessuto nervoso essi col-

dendriti possono mancare o essere molto numerosi e

sono deputati a ricevere informazioni da altre cellule, laborano alla formazione di cicatrici che impediscono

la rigenerazione degli assoni.

mentre l'assone, che è sempre unico, emerge da un co- Gli oligodendrociti predominano nella sostanza

no, detto segmento iniziale, ma lungo il suo precorso

— Dendriti Dendriti

Assone centrale Corpo cellulare

Assone

Assone periferico

Cellula bipolare della retina Cellula di un ganglio delle radici dorsali Motoneurone spinale

Dendriti Dendriti Corpo cellulare

Assone Assone

Cellula piramidale dell'ippocampo Cellula di Purkinje del cervelietto

FIG. 2. Vari tipi di neuroni. A: Cellula bipolare; B: Cellula pseudo-bipolare; C, D, E: vari tipi di cellule multipolari.

IL NEURONE ratteristiche di mobilità e di fluidità simile a quella di

bianca. Essi presentano prolungamenti (circa 15) che si un cristallo liquido e pertanto le varie proteine sono

espandono per avvolgere gli assoni. Intorno agli as-

soni di maggior diametro, nelle cosiddette fibre mie- libere di muoversi per diffusione, tranne alcune che si

liniche (Fig. 4, SA), essi si avvolgono ripetutamente e trovano ancorate da specifiche strutture. Molecole

glucidiche sono attaccate a fosfolipidi e a proteine.

formano dei manicotti di mielina separati dai nodi di

Ranvier. Questi ultimi sono tratti di assone a contatto

con il liquido extracellulare e ricchi di ambedue i ca- I CANALI IONICI

nali voltaggio-dipendenti per gli ioni sodio e potassio I canali ionici delle membrane eccitabili sono co-

che generano i potenziali d'azione (Fig. 4). Le fibre di stituiti da molecole proteiche composte da diverse

minor diametro, non mieliniche, isolate o in gruppi,

sono semplicemente circondate dagli oligodendrociti subunità uguali o diverse fra loro oppure da un'uni-

senza mielina. ca catena polipeptidica dotata di struttura ripetitiva

nella quale ciascun segmento rappresenta l'equiva-

La mielina degli assoni centrali contiene proteine lente di una subunità. Le molecole proteiche forma-

che ostacolano la rigenerazione dell'assone in seguito

a lesione. Inoltre queste proteine svolgono un ruolo no un poro che mette in comunicazione i due com-

fisiologico nel mantenere stabili i territori di innerva- partimenti extracellulare ed intracellulare tramite

zione di una cellula nervosa. un mezzo acquoso. Attraverso questi canali diffon-

dono ioni che per la loro scarsa liposolubibiltà non

Nei nervi periferici ogni manicotto delle fibre mie-

liniche è costitutito da una singola cellula di Schwann attraverserebbero il doppio strato lipidico della

(Fig. 56). Queste cellule, a differenza degli oligoden- membrana. La migrazione di ioni attraverso il cana-

le avviene per diffusione, sotto la spinta di un gra-

drociti, contengono importanti fattori trofici che fa- diente di concentrazione e/o di un gradiente elettri-

cilitano la sopravvivenza e la rigenerazione dei neu-

roni lesi. co. Attraverso un singolo canale possono fluire fino

a 100 milioni di ioni al secondo.

Selettività. Il canale di regola è selettivo per uno

LA MEMBRANA DEL NEURONE ione. Si dice comunemente che il canale possiede un

Come in tutte le cellule, la membrana è formata filtro di selettività. Per spiegare il concetto di filtro

da una matrice fondamentale costituita da un doppio selettivo prendiamo in considerazione come esempio

i canali del potassio i quali, grazie agli studi struttu-

strato di lipidi, in gran parte sotto forma di fosfolipi-

di, nei quali sono immerse molecole proteiche e glu- rali recenti di Roderick MacKinnon, costituiscono un

cidiche (Fig. 6). Le estremità idrofobe dei fosfolipidi, modello di conoscenze avanzate applicabile anche

ad altri canali. Nonostante esistano diversi tipi di ca-

costituite da catene di acidi grassi, si toccano fra loro

all'interno dello spessore della membrana, mentre i nali del potassio, il meccanismo della selettività è co-

gruppi idrofili si affacciano sui versanti acquosi extra- mune a tutti.

cellulare ed intracellulare. Connesse con la matrice fo- Ricordiamo che la molecola d'acqua è un dipolo

sfolipidica vi sono numerose molecole proteiche che elettrico con il polo negativo in corrispondenza del-

l'atomo di ossigeno. Lo ione potassio, con la sua ca-

sono specifiche della cellula nervosa e sono alla base

delle sue proprietà fisiologiche. Alcune di esse, dette rica positiva, attrae intorno a sé una nuvoletta di

intrinseche si trovano nello spessore della membrana, molecole d'acqua le quali formano un guscio costi-

mentre altre si trovano sulla superficie e sono dette tuito dagli atomi negativi dell'ossigeno (lo ione si

periferiche. Il doppio strato fosfolipidico presenta ca- trova in stato idratato) (Fig. 7A). Nella parete del ca-

ASTROCITI Azione di supporto

Barriera ematoencefalica

Fattori neurotrofici

Regolazione neurotrasmissione

Tamponamento K+ CELLULE

OLIGODENDROCITI Guaine mieliniche DI SCHWANN

(-) Rigenerazione (+)

MICROGLIA Cellule di difesa

FIG. 3. Vari tipi di cellule gliali e loro funzione. I segni + e - indicano l'azione rispettivamente facilitante ed inibente sulla ri

generazione delle fibre nervose. Ulteriori spiegazioni nel testo.

FIG. 4. Tratto di assone mielinico con manicotti di mielina formati dagli oligodendrociti. Tra i manicotti mielinici si vede

no i nodi Ranvier i quali possiedono i due tipi di canali ionici selettivi per il sodio e per il potassio che generano il poter

zia/e d'azione.

FIG. 5. Le guaine mieliniche degli assoni. A: Una cellula di oligodendroglia emette prolungamenti, ognuno dei <

espande e si avvolge ripetutamele intorno ad un tratto di assone nel sistema nervoso centrale. L'espansione termina

tiene mielina. B: Una singola cellula di Schwann, contenente mielina, si avvolge ripetutamente intorno ad un assont

nc*r\m<;r\ Per ranirtni riirlattirhìf* alrnnp * snnn arrntrtlrìtp

S. 6. Membrana cellulare. La membrana è formata da due strati di fosfolipidi che sono stati separati a sinistra. Nel doppio

•ato sono immerse varie proteine. Alcune penetrano nella membrana parzialmente o totalmente e sono dette proteine in-

nseche. Altre si trovano sulla superficie e sono dette estrinseche (in verde). Catene glicidiche legate ad una proteina o a fo-

IL NEUKONE

naie del potassio esiste un profilo spaziale di cariche capaci di modificare la loro conformazione tridimen-

elettriche negative che mima il guscio formato dal- sionale.

l'acqua (Fig. 76). Esso è formato da atomi di ossige- L'apertura di un canale attivo è operata da sti-

no dei gruppi carbossilici delle proteine e pertanto moli specifici e sulla base di tale specificità si distin-

da un gruppo di cariche fisse sulla parete del canale. guono 4 tipi di canali (Fig. 9).

Tale guscio o gabbia rappresenta una regione di af- 1. Canali ligando-dipendenti nei quali alla proteina

finità per lo ione potassio che può così essere sot- del canale è associata un'altra proteina che fun-

tratto all'acqua. Siccome i legami tra potassio e cari- ge da recettore di una molecola, come ad esem-

che negative sia dell'acqua sia della parete del cana- pio un neurotrasmettitore.

le, non sono stabili, ma fluttuano in continuazione, 2. Canali operati da messaggeri intracellulari, che

lo ione si può muovere entrando ed uscendo facil- portano, ad esmpio, ad un processo di fosforila-

mente dal canale sia sul versante intracellulare sia in zione.

quello extracellulare. La selettività del canale per il 3. Canali voltaggio-dipendenti nei quali si trova un

solo ione potassio è dovuta al fatto che la gabbia di sensore sensore del campo elettrico e pertanto

cariche negative ha dimensioni che si adattano per- essi si aprono quando, ad esempio, la membrana

fettamente a quelle dello ione potassio, ma non a si depolarizza.

quelle di altri ioni come ad esempio il sodio che è 4. Canali meccano-dipendenti sensibili allo stira-

troppo piccolo. Per essere più completi, nell'interno mento meccanico.

del canale vi sono in realtà quattro di queste came- +

re che in ogni istante possono essere occupate sol- Ricordiamo qui l'esistenza di canali del K sensi-

tanto da due ioni (Fig. 7C, D). bili all'ATP descritti per la prima volta nelle fibre

Elettrofisiologia. Con tecniche moderne è possibile muscolari cardiache. Nel miocardio il loro ruolo fi-

registrare l'attività elettrica di un singolo canale ioni- siologico è sconosciuto, in quanto durante la nor-

co. Per fare questo si appoggia la punta di una micro- male funzione cardiaca essi sono chiusi. Si aprono,

pipetta di vetro sulla superficie della membrana. Se si invece, in condizioni di ischemia contribuendo ad

aspira nella micropipetta, la membrana con il suo ca- una più rapida ripolarizzazìone del cuore. La conse-

nale si sigilla intorno al microelettrodo di vetro (Fig. guente ridotta durata del potenziale cardiaco com-

8A). In questo modo tutta la corrente che attraversa il porta minore entrata di calcio contribuendo a limi-

canale scorre all'interno dell'elettrodo e può essere tare l'azione dannosa del calcio stesso.

+

registrata. È anche possibile isolare una piccola area di I canali del K sensibili all'ATP sono stati successi-

membrana 'strappandola' dal resto della cellula. In vamente descritti nelle cellule beta del pancreas,

questo modo si possono mettere a contatto varie so- nelle fibre muscolari scheletriche ed in quelle lisce

stanze, sia con la superficie esterna che interna della dei vasi e di altri tessuti e nelle cellule nervose. Essi

membrana, mentre si registra dal singolo canale. agiscono da intermediari fra lo stato bioenergetico

Nella membrana del neurone esistono due tipi di della cellula e l'attività elettrica. Nelle cellule beta

canali ionici: passivi ed attivi. I canali passivi sono del pancreas, che producono insulina, detti canali si

aperti, mentre quelli attivi di regola sono chiusi e si aprono quando si riduce la concentrazione di gluco-

aprono in maniera tutto-o-nulla per brevi intervalli sio. Questo fatto porta ad una iperpolarizzazione la

dell'ordine del millisecondo (Fig. 88, C). Si dice per- quale, diminuendo l'entrata del calcio nelle cellule,

tanto che tali canali sono provvisti di porte. Queste riduce la secrezione di insulina. Simili meccanismi

corrispondono a segmenti delle molecole proteiche operano nel sistema nervoso centrale.

FIO. 7. Meccanismo di selettività nel canale ionico del potassio, il K+ in soluzione acquosa è circondato da un guscio di cir-

ca 50 cariche negative (pallini blu) formate dagli atomi di ossigeno di altrettante molecole d'acqua (A). La stessa disposi-

zione spaziale dì cariche negative si trova all'interno del canale del potassio, ma in questo caso si tratta di cariche negati-

ve fisse (pallini verdi) delle proteine che costituiscono il canale (B). In tutti i canali del potassio esistono quattro camere di

+

affinità per il K (C, D). Due camere contìgue non possono contenere lo ione, in quanto le cariche fisse di un guscio non pos-

+

sono servire contemporaneamente le due camere. Pertanto, la presenza del K nel canale può esistere soltanto nei due sta-

ti indicati in CeD. IL NEURONE FIG. 8. Registrazione delle correnti dai canali ionici. A:

dispositivo sperimentale. Una micropipetta di vetro ri-

Micropipetta empita di soluzione salina adeguata viene appoggiata

di vetro sulla superficie della membrana. Mediante aspirazione

nella micropipetta, la membrana si introflette all'in-

terno dell'elettrodo ed in questo modo tra bordo di

vetro e membrana si forma un sigillo che non permet-

te il passaggio di ioni. Pertanto, tutta la corrente che

attraversa il canale ionico cosi isolato viene convo-

gliata nell'elettrodo per essere amplificata e registra-

Canali ta. Per registrare la corrente è necessario mantenere

costante la differenza di potenziale della membrana

con adeguato dispositivo elettronico. Questo metodo

di registrazione viene definito "patch clamp" che si-

gnifica registrare la corrente da una microarea di

membrana con la tecnica del voltaggio imposto. B:

due generici canali ionici sono rappresentati in stato

chiuso ed aperto. C: registrazione de/le correnti ioni-

che di un singolo canale dove si vede che il canale si

apre in modo tutto-o-nulla.

Canale aperto

Canale chiuso

Superficie extracellulare

Superficie intracellulare

Chiuso 2pA

Aperto ms

2

Canale aperto

Canale chiuso

Superficie

extracellulare

Superficie

intracellulare

D ' Citoscheletro

FIG. 9. Meccanismi di controllo dell'attività dei canali ionici. A: canali ligando-dipendenti. B: canali operati da un processo

di fosfori/azione intracellulare. C: canali sensibili al campo elettrico. D: canali sensibili allo stiramento meccanico.

IL NEURONE

I SEGNALI ELETTRICI NELLE CELLULE NERVOSE

Una delle principali proprietà del neurone è di ri-

cevere, elaborare ed inviare informazioni sotto for-

ma di segnali elettrici condotti a distanza attraverso Liquido extracellulare

l'assone. Quest'ultimo è un cavo coassiale i cui con-

duttori interno ed esterno sono rispettivamente il li-

quido intracellulare ed extracellulare separati elet-

tricamente dalla membrana plasmatica (Fig. 10). Tut-

tavia, i parametri elettrici di questo cavo coassiale Citoplasma

sono del tutto sfavorevoli per condurre un segnale a

distanze superiori a quelle dell'ordine del millime- FIG. 10. Circuito elettrico equivalente di un assone. Il cito-

plasma è equivalente ad una resistenza (resistenza interna,

tro. Infatti, l'assone presenta tre difetti principali. La r), che dipende dalla lunghezza e dal diametro dell'assone.

sua resistenza interna è molto alta come conseguen- il liquido extracellulare può essere considerato una resi-

za del suo altissimo rapporto fra lunghezza e dia- stenza non significativa. Tra i due conduttori, extracellulare

ed intracellulare si trova la membrana che non è un isolan-

metro. Pertanto occorrono grandi differenze di po- te perfetto, ma è attraversata da correnti attraverso i cana-

tenziale per generare correnti piuttosto piccole. In li di cui è dotata. Pertanto, essa possiede una resistenza (r ).

m

secondo luogo, essa presenta una capacità che ridu- La stessa membrana essendo un isolante fra due condutto-

ri elettrici funge da condensatore e pertanto possiede una

ce e distorce le oscillazioni elettriche di breve durata. capacità <C ) raffigurabile con un condensatore. Ogni trat-

m

Infine, la membrana non è un isolante perfetto, ma to dì assone può essere considerato composto da tanti cir-

possiede dei pori attraverso i quali passano cariche cuiti equivalenti come illustrato nella parte inferiore.

2 -70 5 +30

3 4

-80 -60

30-, P.a.

P.r.

-I

-70

FIG. 11. Registrazione degli eventi elettrici in un neurone. In alto sono illustrati i dispositivi sperimentali per la misurazione

del potenziale di membrana. In 1 il microelettrodo è in posizione extracellulare ed il voltmetro non misura alcuna differen-

za di potenziale. In 2 il microelettrodo penetra nel neurone e registra una differenza di potenziale di -70 mV detto poten-

ziale di riposo (P.r.). In 3 è indicata una iperpolarizzazione (i), mentre in 4 e in 5 rispettivamente una depolarizzazione (d) ed

un potenziale d'azione (P.a.). IL NEURONE

elettriche sotto forma di ioni. Il neurone ha supera- della differenza di potenziale rispetto a quello di ri-

to questi difetti creando un sistema di trasmissione poso si chiama iperpolarizzazione, mentre la diminu-

elettrica del tutto particolare capace di trasmettere zione si chiama depolarizzazione. Il potenziale di

informazioni a distanza teoricamente infinita senza membrana può presentare una brusca oscillazione del-

perdita di efficienza. la durata di circa 1 ms da -70 mV a +30 mV e di nuovo

Come illustrato nella Fig. 11, se s'introduce un mi- a -70 mV. Questo fenomeno si chiama potenzia/e d'a-

croelettrodo di vetro all'interno di un neurone a ripo- zione. Infine si parla di ripolarizzazione quando il po-

so e si misura la differenza di potenziale rispetto ad tenziale di membrana tende a ritornare in direzione

un elettrodo indifferente posto all'esterno, si trova negativa verso il potenziale di riposo. Si tratta ora di

una differenza di potenziale di circa 70 mV con la ne- spiegare la natura di questi fenomeni elettrici.

gatività all'interno della cellula. Si dice che la mem- Una differenza di potenziale si ottiene separando

brana è polarizzata e questa differenza di potenziale cariche elettriche positive da quelle negative. Si può

viene definita potenziale di riposo. Esso può variare in calcolare che sulla membrana a riposo, per ogni mi-

varie condizioni fisiologiche e sperimentali. L'aumento cron quadrato di superficie, si trovino accumulate sul

^^^•éJé-àéJàJ

I I

m i

FIG. 12. Flusso attivo e passivo di ioni attraverso la mem-

brana del neurone. A sinistra la pompa adenosintrifosfata-

si-sodio-potassio trasporta con spesa di energia gli ioni so-

dio verso l'esterno e quelli potassio verso l'interno con un Extracellulare

rapporto di 3:2. In questo modo si creano i gradienti di con-

centrazione dei due ioni tra liquido extracellulare ed intra-

cellulare. A destra gli ioni sodio e potassio fluiscono passi-

vamente verso l'interno (sodio) e verso l'esterno (potassio)

attraverso canali selettivi, creando una differenza di po-

tenziale ai due lati della membrana in funzione della per-

meabilità relativa dei canali stessi per i due ioni.

FIG. 13. Numero espresso in milioni, dei principali ioni con-

tenuti in un micron cubo di liquido extracellulare (in alto)

ed intracellulare (in basso). IL NEURONE

versante extracellulare 5000 cariche positive e sul ver- mV

sante intracellulare altrettante cariche negative. Che

cosa sono in pratica queste cariche? e come è avvenu-

ta la loro separazione? +30

Nella membrana del neurone esistono pompe me-

taboliche che lavorano in continuazione a spese del-

l'ATP, per portare ioni sodio e potassio rispettivamen-

te verso l'esterno e l'interno della cellula (Fig. 12). La

pompa è una proteina intrinseca della membrana con

un peso molecolare di 275.000 che occupa tutto lo -70-

spessore della membrana, misurando 60 per 80 A. J

E,,-90

Ogni micron quadrato di membrana contiene circa

200 pompe, ma in alcuni punti il loro numero può es-

sere notevolmente superiore. Si calcola che un picco-

lo neurone possa contenere un milione di pompe ca-

paci di trasferire attraverso la membrana oltre 300 mi-

0

f Canali del 2 msec

FIG. 15. Potenziale d'azione e permeabilità ionica. In A le

linee tratteggiate indicano i potenziali di equilibrio del so-

dio (E ) e del potassio <E ). Tra queste linee è rappresenta-

Na k

to un potenziale d'azione. In B, sulla stessa scala tempora-

Na+ le, sono riportate le curve delle concomitanti variazioni di

permeabilità (P) al sodio (curva con picco a sinistra) e del

potassio (curva con picco a destra). I valori di permeabilità

sono relativi, prendendo come unità il valore della per-

meabilità della membrana al sodio in condizioni di riposo.

Dati dell'assone gigante di calamaro.

CI" Moni di ioni al secondo. Come risultato del lavoro di

queste pompe, la concentrazione di ioni potassio nel-

l'interno del neurone è 27 volte più alta di quella che

K+ si ha all'esterno, mentre la concentrazione di ioni so-

V

•y- dio all'esterno è 10 volte quella nell'interno. Dobbia-

mo ricordare che nell'interno della cellula esistono io-

ni negativi, rappresentati in massima parte da anioni

FIG. 14. Potenziali d'equilibrio (E) degli ioni caldo, sodio, proteici, mentre le cariche negative all'esterno sono

doro e potassio nel neurone.

dovute prevalentemente agli anioni doro (Tab. II). La Nella cellula nervosa la pompa sodio-potassio tra-

Fig. 13 fornisce il numero approssimativo espresso in sporta contemporaneamente 3 ioni sodio verso l'e-

milioni, dei più importanti ioni che si trovano in un sterno e 2 ioni potassio verso l'interno (Fig. 12) ed è

micron cubo di liquido extracellulare ed intracellulare. debolmente elettrogenica. Pertanto la differenza di

potenziale della membrana per opera della pompa è

molto piccola. La differenza di -70 mV che si osserva

COMPARTIMENTO COMPARTIMENTO POTENZIALE di fatto è la conseguenza dei flussi passivi di sodio e

EXTRACELLULARE INTRACELLULARE D'EQUILIBRIO potassio attraverso la membrana. Infatti, in virtù dei

•^^H gradienti che si sono creati, ogni ione tende a fluire

150 15 60

Sodio passivamente dal compartimento dove si trova a con-

5,5 150 -90

Potassio centrazione più alta verso quello a concentrazione più

9

125 -70

doro bassa. Gli ioni sodio tendono perciò a fluire passiva-

TAB. II. Concentrazioni di sodio, potassio e doro e loro po- mente dall'esterno all'interno della cellula, mentre gli

tenziali di equilibrio. Si noti che per il doro tale equilibrio ioni potassio tendono a fluire passivamente in senso

coincide con il potenziale di riposo, mentre per il sodio esso inverso (Fig. 72). Il flusso degli altri ioni nell'assone

si trova ad una distanza di 130 mV e per il potassio di -20 può in pratica essere ignorato, perché la permeabilità

mV. Ciò significa che a riposo il flusso netto di doro è zero,

mentre il sodio tende ad entrare nella cellula e il potassio relativa della membrana nei loro riguardi è molto pic-

tende ad uscire. Nonostante l'enorme differenza dal loro cola o trascurabile.

punto di equilibrio, il flusso di ioni sodio verso l'interno è Come si genera in condizioni di riposo la differen-

uguale a quello del potassio verso l'esterno, in quanto la

permeabilità del primo è molto bassa rispetto al secondo. za di potenziale di -70 mV? Immaginiamo che la

Somma

delle correnti

di tutti i canali HIL

Corrente

del singolo

canale JLJL

5pA

mV

-40

J7 20 msec _f

mV

-80

FIG. 16. Effetto dell'applicazione di una corrente depolarizzante sui singoli canali selettivi del sodio e del potassio che ge-

nerano il potenziale d'azione. La membrana viene depolarizzata da -70 a -40 mV, mentre si registra da un canale del sodio

(a sinistra) e da uno del potassio (a destra). Ad ogni depolarizzazione il canale del sodio si apre una sola volta con latenza va-

riabile, mentre quello del potassio si apre con latenza maggiore e spesso più di una volta. Si deduce che l'attività globale di

molti canali del sodio riproducano una corrente rappresentata in alto sia per il sodio che per il potassio (in alto). Da questo

esperimento si deduce che il canale del sodio possiede una porta di attivazione ed una di inattivazione, mentre per il potassio

esiste la sola porta di attivazione. IL NEURONE II valore di -90 mV corrisponde al potenziale di

membrana sia permeabile ai soli ioni potassio. In que- equilibrio del potassio E^ (Fig. 14). Con ragionamento

ste condizioni gli ioni escono dalla cellula sotto la analogo, se la membrana forse permeabile ai soli ioni

spinta del loro gradiente di concentrazione e, non es- sodio, essa dovrebbe avere, all'equilibrio elettrochi-

sendo seguiti dagli anioni proteici ai quali la mem- mico, un potenziale di +60 mV (potenziale d'equili-

brana è impermeabile, creano un gradiente elettrico brio del sodio) (Fig. 14). In ogni istante il potenziale di

con la negatività all'interno della cellula. Questo gra- membrana non può che essere compreso fra questi

diente tende ad opporsi all'ulteriore fuoriuscita di io- due valori estremi in funzione dei cambiamenti di per-

ni potassio. Il processo dura fino a che gradiente elet- meabilità di questi due ioni.

trico e gradiente di concentrazione si trovano in equi- In condizioni normali, la membrana è permeabi-

librio e pertanto il flusso netto di potassio attraverso

la membrana diventa zero. Il potenziale di membrana le ad ambedue gli ioni sodio e potassio. Come indi-

ca la Fig. 756, a riposo la membrana è 27 volte più

(E|<) in questo caso è funzione delle concentrazioni

+ + permeabile agli ioni potassio che a quelli sodio. Per-

extracellulare [K ] ed intracellulare [K ]j del potassio

e

e si può calcolare con la legge di Nernst: tanto la fuoriuscita di cariche positive, predomina

sull'entrata di cariche positive sotto forma di ioni

+

[K ] sodio e la superficie esterna della membrana diven-

e

E 6 1 5 l o

k(mV) = ' 9- - = -90mV ta positiva rispetto a quella interna, sulla quale ri-

[K+]j mangono gli anioni proteici, che non hanno potuto

mV i

+30

J

-70 Attivazione

Canali iXU.1 1.1XU 1.1XU -XIX- IX

sodio Inattivazione

->, f r f I * " Attivazione

PK

Canali

potassio 1 2 msec

FIG. 17. Cinetica dei canali del sodio e del potassio durante il potenziale d'azione. In alto potenziale d'azione. Le frecce in-

dicano l'entrata e l'uscita rispettivamente di sodio e potassio. In basso sono schematizzati i due canali ionici: quello del so-

dio con la porta di attivazione e d'inattivazione, mentre quello del potassio con la sola porta di attivasione. Lo grado dì

apertura dei canali indica quanti canali sono aperti in quel dato momento.

seguire i corrispondenti ioni potassio fuoriusciti. Il 8000 ioni sodio per invertire il potenziale di membra-

potenziale di riposo pertanto si trova ad un valore na, mentre un tempuscolo dopo, 8000 ioni potassio

di -70 mV (Fig. 15A) che è molto vicino al potenzia- escono per riportare il potenziale di membrana al va-

le d'equilibrio del potassio, ma non lo raggiunge, lore di riposo. Questi numeri sono molto piccoli ri-

perché la piccola permeabilità al sodio, permette un spetto al totale degli ioni separati dalle pompe meta-

ingresso di piccole quantità di questo ione all'inter- boliche. Ecco perché anche dopo blocco di tali pompe

no della cellula che tende a contrastare gli effetti una fibra piccola può ancora generare oltre 1000 po-

della fuoriuscita di potassio. tenziali d'azione ed una fibra grande oltre un milione,

Come si genera il potenziale d'azione? Esso è do- prima che i gradienti di concentrazione si riducano,

vuto all'aumento improvviso della permeabilità al so- rendendo impossibile il funzionamento della cellula.

dio che aumenta di circa 600 volte (Fig. 75B), supe- Le pompe metaboliche, anche se non necessarie di-

rando pertanto quella del potassio. Per quanto detto rettamente per la genesi dei potenziali di membrana,

sopra gli ioni sodio tendono a fluire passivamente in realtà sono essenziali per mantenere costanti per

dentro la cellula e la membrana raggiunge un valore tutta la vita le concentrazioni ioniche ai due lati della

di +30 mV, valore molto vicino al potenziale d'equili- membrana. Esse creano le premesse affinchè, a segui-

brio del sodio (Fig. ISA). Questa inversione di polariz- to delle variazioni di permeabilità, si generino i rela-

zazione, che costituisce il potenziale d'azione, dura tivi segnali elettrici.

meno di 1 ms, perché la permeabilità della membrana

al sodio decresce rapidamente, mentre con un legge-

ro ritardo aumenta quella del potassio. Questo au- DINAMICA DEI CANALI IONICI

mento facilita ed accelera la fuoriuscita di ioni potas- NEL CONTROLLO DEI POTENZIALI DI MEMBRANA

sio, che così tende a compensare la precedente entra-

ta di ioni sodio e la membrana riassume il suo valore Se si registra la corrente da un singolo canale del

di riposo. A questo punto anche la sua permeabilità al sodio durante una depolarizzazione della membrana,

potassio ritorna ai valori normali. si vede che il canale si apre una sola volta con latenza

In conclusione i segnali elettrici nel neurone sono variabile (Fig. 16). Ciò significa che il canale del sodio

dovuti a correnti generate per il variare delle per- ha una porta di attivazione che si apre per effetto del-

meabilità della membrana agli ioni sodio e potassio. lo stimolo. L'impossibilità di aprirsi nuovamente, non-

Le correnti sono passive e sono la conseguenza di un ostante il perdurare dello stimolo, è dovuto al fatto

processo attivo, avvenuto in precedenza a spese di che il canale rimane inattivato. In altre parole, esso

energia, messo in atto nel creare un gradiente di con- possiede una porta di inattivazione che si chiude con

centrazione per il sodio e per il potassio. Potenziale un leggero ritardo limitando l'ingresso del sodio ad

di riposo e potenziale d'azione possono essere gene- un brevissimo tempo. Al contrario, il canale del po-

rati per lungo tempo anche dopo blocco delle pompe tassio si apre con una latenza maggiore rispetto a

metaboliche per il sodio e per il potassio. Si consideri quello del sodio e non presenta inattivazione poten-

che il numero di ioni potassio che esce passivamente dosi aprire ripetutamente. Esso ha pertanto una sola

dalla cellula per creare il potenziale di riposo è di 5000 porta di attivazione.

per ogni micron quadrato di membrana, numero Come illustrato nella Fig. 77, a riposo il numero di

estremamente piccolo rispetto al numero totale di io- canali del sodio che hanno la porta di attivazione

ni contenuti nella cellula nervosa. Durante il poten- aperta è molto piccolo (bassa permeabilità del sodio)

ziale d'azione entrano attraverso la stessa superficie mentre la porta di in attivazione è aperta. Quando la

IL NEURONE zione può essere indotta introducendo ioni positivi

membrana viene depolarizzata, ad esempio per l'ar-

rivo di un potenziale d'azione, aumenta il numero di in un punto dell'assone. In questo modo cariche po-

sitive migrano attraverso i pori della membrana ver-

canali con la porta di attivazione aperta, mentre la so l'esterno non soltanto nel punto di iniezione, ma

seconda porta si chiude con un lieve ritardo. Lo sfa- anche lungo l'interno per uscire nei punti limitrofi.

samento temporale tra l'apertura e la chiusura delle Le cariche positive introdotte all'interno della mem-

due porte è responsabile dell'entrata del sodio in un brana sono responsabili della depolarizzazione in

elevato numero di canali per un tempo inferiore ad quel punto e nei punti vicini (Fig. 786). La corrente

un millisecondo e questo tempo corrisponde alla fa-

se ascendente del potenziale d'azione (Fig. 77). Per che esce dalla membrana è in ogni punto una frazio-

ne costante della corrente longitudinale. Pertanto, ai

quanto riguarda, invece il canale del potassio la de- lati dello stimolo depolarizzante, sia le correnti in

polarizzazione fa aprire la sola porta di attivazione. uscita sia l'entità della depolarizzazione diminuisco-

Pertanto, sotto l'effetto della depolarizzazione au- no in maniera esponenziale. In concreto le cariche

menta il numero di canali con la porta aperta. L'a- positive che scorrono lungo la membrana sono in

pertura della porta del potassio avviene con un lieve gran parte ioni potassio i quali si trovano in alta con-

ritardo rispetto alla porta di attivazione del sodio e centrazione all'interno dell'assone e tendono a mi-

ciò comporta una fuoriuscita di ioni potassio che av-

viene dopo l'entrata del sodio. L'uscita del potassio grare attraverso la membrana. Al contrario, se la

membrana viene iperpolarizzata, si creano flussi di

collabora alla fase discendente del potenziale d'a-

zione ed è anche responsabile della iperpolarizzazio- correnti in direzione opposta che tendono ad iper-

ne che spesso segue immediatamente il potenziale polarizzare i punti vicini anche in questo caso con an-

damento esponenziale (Fig. 18C).

d'azione. Il profilo del potenziale d'azione può esse- Per convenzione la distanza alla quale l'ampiez-

re diverso nei diversi neuroni e dipende dal rapporto za della depolarizzazione (o della iperpolarizzazio-

temporale delle variazioni delle permeabilità degli ne) si è ridotta al 37% si chiama costante di spazio

ioni sodio e potassio. (Fig. 18). Tale distanza varia a seconda dei valori del-

la resistenza longitudinale (r,) e di quella di membra-

na (r ) ed è uguale al rapporto r /r,. Quanto più gran-

LA CONDUZIONE DEI SEGNALI ELETTRICI m m

de è il diametro, tanto minore è la resistenza longi-

LUNGO LA MEMBRANA DELL'ASSONE tudinale e quindi maggiore è la quantità di corrente

Vi sono due meccanismi per condurre i segnali che scorre longitudinalmente rispetto a quella che

attraversa la membrana (Fig. 79/4). In alcune zone

elettrici lungo la membrana. Il primo avviene tramite

correnti locali o elettrotoniche ed il secondo tramite del neurone, come ad esempio nei dendriti, la resi-

stenza interna può essere diversa anche se il diame-

propagazione del potenziale d'azione. tro è uguale e pertanto cambierà anche la costante

Correnti elettrotoniche. Le correnti elettrotoni- di spazio (Fig. 796).

che, dette anche locali, sono correnti passive che si La Tab. Ili illustra alcuni valori della costante di spa-

zio in fibre amieliniche di diverso diametro. Da quan-

possono riprodurre in un circuito di resistenze e con- to detto risulta chiaro che le correnti elettroniche si

densatori. Esaminiamo il caso in cui in un assone la

membrana venga depolarizzata in punto ad un valo- propagano in teoria all'infinito, ma in pratica a di-

stanze largamente insufficienti per condurre i segna-

re insufficiente per la nascita di un potenziale d'a- li elettrici lungo tutta la lunghezza dell'assone.

zione. Come illustrato nella Fig. 18A, la depolarizza-

n 37 Lunghezza

* Al *' A2

mV

-,-70

FIG. 18. Correnti elettrotoniche nell'assone. Cariche positive

vengono introdotte all'interno dell'arsone nel punto centrale

(anodo intracellulare). Le cariche depolarizzano la membrana

in quel punto, ma nello stesso tempo migrano lungo l'interno

dell'assone per uscire nei punti vicini. In questo modo la mem-

brana viene depolarizzata anche nei punti vicini e l'entità del-

la depolarizzazione (B) decresce in maniera esponenziale. Se

l'elettrodo stimolante è un catodo intracellulare (introduzione

di cariche negative) le correnti diventano iperpolarizzanti (C).

FIG. 20. Propagazione delle correnti elettroniche dai den-

driti verso il corpo cellulare in un neurone. Una depolarizza-

zione indotta sinapticamente nei dendriti distali si attenua a

mano a mano che ci si avvicina al corpo cellulare. A2

FIG. 19. Costante di spazio nella membrana dei neuroni. La

costante di spazio è la distanza alla quale una depolarizza-

zione (oppure una iperpolarizzazione) decresce al 37% del

valore iniziale. In A due segmenti di neurone di diverso dia-

metro hanno diverse resistenze di membrana ed interna e

pertanto diverse costanti di spazio. In B due segmenti di neu-

rone hanno uguale diametro, ma diverse resistenze di mem-

brana ed interna e pertanto due diverse costanti di spazio. La

costante si spazio è data dal rapporto fra queste due resi-

stenze (r /rj.

m

IL NEURONE tratto compreso fra le linee verticali a e e i canali del

DIAMETRO X

i sodio sono inattivati.

i Assone di calamaro pm mm

4

500 Il tratto di assone compreso fra le due linee verti-

Fibra muscolare mm

2

pm

100 cali a e b è tanto più lungo quanto più grande è la co-

di rana stante di spazio. Pertanto, la velocità di conduzione

Assoni mammiferi pm 00 pm

< 1,3 10-1 del potenziale d'azione, espressa in m/s, aumenta con

TAB. III. Valori della costante di spazio per una fibra gi- l'aumento del diametro della fibra nervosa, espressa

gante di calamaro, per una fibra muscolare di rana e per in um, secondo la funzione

fibre amieliniche dei mammiferi. V=k-/5"

Si noti che nei dendriti, dove il diametro non è co-

stante e la resistenza di membrana è molto variabile, dove k è una costante che ha un valore vicino a 1.

le correnti elettrotoniche hanno un andamento com- Tale funzione è rappresentata da un'emiparabola

plesso. Tuttavia, in principio depolarizzazioni nei den- (Fig. 24). Ad esempio una fibra nervosa di calamaro

driti distali, evocate, ad esempio, da sinapsi eccitatorie con un diametro di 625 mm conduce ad una velocità

danno luogo a depolarizzazioni attenuate a livello dei di circa 25 m/s. Nell'uomo le fibre amieliniche sono

dendriti prossimali ed ancora più attenuate nel corpo molto sottili (0,3-1,3 um di diametro) e pertanto il

cellulare (Fig. 20). Importante è notare che a livello del- tratto di parabola corrispondente a questi diametri

le spine dendritiche la propagazione delle correnti può essere considerato una retta (Fig. 25).

elettrotoniche varia in funzione della resistenza lon- Per meglio comprendere i meccanismi di propa-

gitudinale lungo il collo della spina stessa (Fig. 21). Per- gazione delle correnti elettrotoniche e del potenzia-

tanto variazioni della forma della spina incidono sul- le d'azione è utile il seguente modello. Un filo me-

l'efficacia dell'azione sinaptica eccitatoria. tallico è ricoperto di polvere da sparo in modo da for-

mare una miccia. Se si avvicina una sorgente di calo-

Propagazione del potenziale d'azione. Se la de- re ad un punto del filo si ha un aumento di tempera-

polarizzazione applicata ad un punto della membra- tura che è massimo nel punto di applicazione della

na è di ampiezza tale da superare un valore detto so- sorgente di calore. Tuttavia il calore si propaga ai

glia si genera in quel punto un potenziale d'azione. punti limitrofi e la temperatura ai lati di detto punto

Questo si registra a latenza progressivamente mag- decresce in maniera esponenziale. Se l'aumento di

gior anche nelle rimanenti regioni dell'assone senza temperatura nel luogo di applicazione della sorgen-

attenuazione di ampiezza (Fig. 22). Come avviene ta- te di calore supera un valore soglia si genera una

le propagazione? La Fig. 23 illustra lo stato delle ca- fiammella che si propaga lungo tutto il filo con una

riche elettriche di membrana mentre un potenziale determinata velocità. La temperatura è l'analogo del-

d'azione viaggia da sinistra verso destra. Il tratto di le correnti elettrotoniche, mentre la fiammella è l'a-

assone limitrofo a quello dove si trova il picco del po- nalogo del potenziale d'azione. Si noti che la fiam-

tenziale d'azione, compreso tra le linee verticali a e b, mella, come il potenziale d'azione, è un fenomeno

viene depolarizzato ad un valore superiore alla so- tutto-o-nulla e la sua ampiezza dipende dalla quan-

glia e pertanto in quel tratto si genera un altro po- tità della polvere da sparo.

tenziale d'azione. Tale processo si ripete lungo tutto Le fibre amieliniche sono filogeneticamente antiche

l'assone ed in questo modo il potenziale d'azione e conducono a velocità relativamente basse. Per tra-

viaggia fino alla sua terminazione. Il potenziale d'a- smettere segnali in maniera adeguata alle reazioni di

zione non può mai ritornare indietro in quanto nel fuga ed aggressione esse risultano adeguati in animali


PAGINE

44

PESO

3.76 MB

AUTORE

Sara F

PUBBLICATO

+1 anno fa


DETTAGLI
Esame: Fisiologia
Corso di laurea: Corso di laurea magistrale in medicina e chirurgia (ordinamento U.E. - 6 anni)
SSD:
Università: Messina - Unime
A.A.: 2013-2014

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Sara F di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Fisiologia e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Messina - Unime o del prof Manasseri Luigi.

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